Het ontwerpen van SMPS (Switched Mode Power Supply ofwel schakelende voedingen) wordt steeds minder gebruikelijk nu modules met geïntegreerde spoelen steeds beter en kleiner worden. Wie zijn eigen SMPS-ontwerpen maakt, moet rekening houden met kosten, ruimte en EMC. In deze korte reeks artikelen willen we je enkele richtlijnen geven over verschillende aspecten van buck, boost en buck/boost SMPS-ontwerpen, zodat je er zonder problemen een kunt kiezen, ontwikkelen en integreren in je ontwerpen.
Deel 4: SMPS plaatsing van de componenten
Deel 1, 2 en 3 gemist? Geen probleem! Hier is de link naar deel 1, de link naar deel 2 en de link naar deel 3.
Waar lopen de stromen
De PCB-lay-out is de sleutel tot een goed SMPS-ontwerp. Het bepaalt de nauwkeurigheid, stabiliteit en EMC-prestaties van de SMPS. De grootste uitdaging is om de snelst veranderende stromen zo te laten lopen dat er minimale lussen zijn, wat resulteert in minimale emissies. Maar waar lopen deze stromen?
Laten we eens kijken naar ons voorbeeld van een buck-converter. De schakelcyclus heeft twee fasen: in fase A sluit de regelaar de bovenste schakelaar en laat stroom lopen van de ingang naar de schakelende uitgang. Deze (stijgende) stroom loopt door de spoel en laadt de uitgangscondensatoren op. Vanwege hun specifieke impedanties bij verschillende frequenties, zullen de snelste wisselstromen door de kleinste condensatoren lopen.
In fase B sluit de regelaar de onderste schakelaar en ontlaadt de spoel zich in de uitgangscondensatoren. Ook nu zullen de snelste wisselstromen door de kleinste condensatoren lopen.
Omdat de snelste stroomveranderingen door C4 en C6 lopen, moeten deze zo dicht mogelijk bij IC1 worden geplaatst. C3 en C7 hebben de tweede prioriteit en FB1, L2, C2 en C8 hebben de laagste prioriteit.
Wat is “zo dicht mogelijk bij”?
Elektrische stromen volgen de weg van de minste weerstand. Dit is gemakkelijk te begrijpen als het om gelijkstroom gaat. Voor wisselstromen kunnen we beter zeggen dat elektrische stromen het pad met de minste impedantie volgt. Een aantal effecten beïnvloeden de loop van wisselstromen, zoals karakteristieke impedantie en het skin-effect.
Elektronici hebben verschillende meningen over wat dit betekent voor het PCB-ontwerp. Moet je überhaupt via’s gebruiken? Kies je voor een topologie met signalen op de bovenlaag en een grondvlak eronder, of leg je alles op één laag?
Ik vind dat het helemaal afhangt van de specifieke technologiekeuzes en iemands voorkeuren. Iedereen heeft zijn eigen benadering; wetenschappelijk of intuïtief. Mijn benadering is om de grote stromen aan de componentzijde van de PCB te laten lopen met zo veel mogelijk koper en zo min mogelijk lusoppervlakte.
Uiteindelijk valt er aan natuurwetten niet te tornen en zullen metingen uitwijzen of je de juiste keuzes maakte – of niet.
Plaatsing van de componenten
Na een beetje schuiven met de componenten, kwam ik op de onderstaande plaatsing.
De verbindingen zijn indicatief, niet definitief. De ground is niet getekend, maar donkerder gemarkeerd. Je kunt goed zien dat de groundverbindingen van C4, C6 en IC1 dicht bij elkaar liggen. De groundverbindingen van C3, C7 en IC1 vormen een grotere lus. De groundverbindingen van C2, C8 en IC1 vormen een nog grotere lus. Hoe sneller de stroom in een pad verandert, hoe kleiner de lus van dat pad op de printplaat zou moeten zijn.
Andere overwegingen voor het plaatsen van componenten
De uitgang van de regelaar schakelt constant tussen de spanning op net IC1 VCC (fase A) en ground (fase B). Bij elke omschakeling verandert de spanning op dit net heel snel. Dit veroorzaakt emissies. Om deze emissies te minimaliseren, moet de oppervlakte van dit net zo klein mogelijk worden gemaakt.
Sommige mensen beweren dat de inductie van L1 de snelheid waarmee de stroom door L1 verandert beperkt, en dat het daarom onnodig is om de stromen in kleine lussen te leiden. L1 beperkt natuurlijk de snelheid waarmee de stroom verandert, want dat is precies wat inductie doet. Maar die vlieger gaat alleen maar op zolang de spoel in de praktijk ook een spoel is. L1 uit dit ontwerp heeft een zelfresonantiefrequentie van ±60 MHz. Boven deze frequentie wordt de spoel steeds meer capacitief en komen hogere frequenties weer gewoon door.
